中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 何興偉

1 引言

地鐵作為一種快速軌道交通工具，具有頻次高、速度快、運(yùn)載量大、安全性高、輻射范圍廣等眾多優(yōu)勢(shì)，備受大中型城市的青睞，不僅緩解了城市的交通壓力，且對(duì)地鐵沿線區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的帶動(dòng)作用，為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新的活力。但地鐵在運(yùn)行過(guò)程中電能消耗較大，應(yīng)用地鐵低壓供電系統(tǒng)，在保證地鐵運(yùn)行中能得到穩(wěn)定電力資源支持的同時(shí)，盡量減少不必要的電能消耗，提高電力資源的利用率，不但能顯著降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，擴(kuò)大地鐵運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益，還能間接地減少電力生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)自然能源的消耗量，保護(hù)自然環(huán)境，獲得良好的生態(tài)效益。

2 地鐵供電系統(tǒng)電力資源耗能原因分析

城市地鐵是依托軌道交通供電系統(tǒng)供能得以運(yùn)行，軌道交通供電系統(tǒng)中主要包含高壓供電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)三個(gè)主要部分。城市電網(wǎng)中110kV等級(jí)電壓在輸入軌道交通供電系統(tǒng)后，先經(jīng)由高壓供電源系統(tǒng)的主變電所進(jìn)行降壓，再通過(guò)牽引所及降壓所為地鐵提供運(yùn)行和照明所需電能。該部分電能產(chǎn)生損耗的主要原因包含空載、熱損耗、線路損耗等，深入分析地鐵運(yùn)行中各項(xiàng)電能損耗的數(shù)值，對(duì)應(yīng)用針對(duì)性地鐵低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略具有重要意義。本文以某城市地鐵2號(hào)線2019年運(yùn)營(yíng)電能消耗記錄為例，全面分析引發(fā)地鐵抵押供電系統(tǒng)高耗能的主要原因，該線路地鐵2019年全年運(yùn)行中的能耗類型和能耗值統(tǒng)計(jì)如表1和圖1所示。

表1 某城市地鐵2號(hào)線2019年能耗統(tǒng)計(jì)情況

圖1 某城市地鐵2號(hào)線電能消耗占比圖

2.1 牽引供電系統(tǒng)的電能消耗情況分析

牽引供電系統(tǒng)中包含牽引網(wǎng)、牽引變電所、回流線、鋼軌等多種場(chǎng)所及設(shè)備設(shè)施，其主要作用是通過(guò)牽引供電系統(tǒng)，使地鐵列車獲得運(yùn)行所必需的動(dòng)力及制動(dòng)力。牽引供電系統(tǒng)能耗水平會(huì)直接受到地鐵頻次、載客量、列車運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間及線路坡度等因素的影響，也是城市地鐵運(yùn)行中產(chǎn)生電能消耗的最主要原因。

2.2 低壓配電系統(tǒng)的電能消耗情況分析

低壓配電系統(tǒng)中包含動(dòng)力照明配電線路、降壓變電所等設(shè)備設(shè)施和場(chǎng)所，其主要作用是為地鐵站、地鐵列車、區(qū)間、空調(diào)設(shè)備、電梯、商業(yè)場(chǎng)所及設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備等提供運(yùn)行所需電源。低壓配電系統(tǒng)在運(yùn)行中的耗電途徑較多，具體包含以下幾種類型：

2.2.1 地鐵空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)運(yùn)行耗電

地鐵建設(shè)在地下環(huán)境中，通風(fēng)換氣功能不足，加之人員密集程度高，必須全天候利用空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)對(duì)地下環(huán)境進(jìn)行換氣和制冷。地鐵軌道交通環(huán)境中的空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)中包含設(shè)備較多，如風(fēng)機(jī)設(shè)備、冷水機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、消防水泵等，每個(gè)系統(tǒng)及設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中都會(huì)消耗大量電力資源，且相關(guān)空調(diào)設(shè)備和給排水設(shè)因運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，老化速度較快，電能消耗水平可能比同類型設(shè)備更高。因此，在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，空調(diào)系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)成為僅次于牽引供電系統(tǒng)的第二大耗電途徑。

2.2.2 地鐵門梯系統(tǒng)運(yùn)行耗電

為提升地鐵客流量，增加居民出行的便捷性，地鐵站內(nèi)都設(shè)置多個(gè)用于集散的電梯設(shè)備，且電梯種類齊全，如客體、貨梯、扶梯、雜物梯等，各電梯設(shè)備需要和地鐵運(yùn)行時(shí)間保持同步運(yùn)行。另外，為保護(hù)乘客安全，當(dāng)前一些城市地鐵站臺(tái)都設(shè)置電動(dòng)站臺(tái)門，跟隨地鐵列車出到站情況進(jìn)行開(kāi)合，該類設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中也需要大量電能支撐。

2.2.3 地鐵照明系統(tǒng)運(yùn)行耗電

地鐵內(nèi)部環(huán)境完全依靠各類照明設(shè)備進(jìn)行采光，照明設(shè)備覆蓋全面，如辦公照明、設(shè)備照明、隧道照明、列車內(nèi)部照明、車站內(nèi)部照明、電纜通道照明燈[1]。

2.2.4 其他系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行耗電

除以上大型系統(tǒng)在運(yùn)行中需要耗電外，地鐵軌道交通環(huán)境中還包含多種弱電設(shè)備設(shè)施需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，如自動(dòng)售票機(jī)、安檢機(jī)、地鐵信號(hào)設(shè)備、辦公設(shè)備等，加之一些地鐵站地下通道中設(shè)置便利店，各類店鋪用電及商業(yè)建設(shè)施工也會(huì)消耗電能，各類系統(tǒng)、設(shè)備、辦公、商業(yè)用電的年耗電總量也較為可觀。

3 地鐵低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略分析

3.1 構(gòu)建智能化能源管理系統(tǒng)

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展，為各行業(yè)和企業(yè)發(fā)展提供了新的技術(shù)解決方案，對(duì)城市軌道交通來(lái)說(shuō)，若想真正提高地鐵供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平，對(duì)地鐵運(yùn)行中各耗電系統(tǒng)的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分類、儲(chǔ)存十分必要，只有保障地鐵各系統(tǒng)耗能數(shù)據(jù)采集的全面性，才能根據(jù)各系統(tǒng)的耗電水平，采用針對(duì)性的節(jié)能降耗策略。因此，可借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立智能化能源管理系統(tǒng)，建立能耗管理架構(gòu)，對(duì)城市地鐵網(wǎng)絡(luò)中所有線路、地鐵站、各項(xiàng)設(shè)備、設(shè)施的用電信息進(jìn)行自動(dòng)采集、處理、分類和匯總。能耗管理架構(gòu)按照分類和分戶兩種方式進(jìn)行建設(shè)，架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 地鐵耗電管理架構(gòu)圖

相關(guān)部門可利用智能化能源管理系統(tǒng)，對(duì)不同類別用戶和設(shè)備設(shè)施的耗電情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，具體包含以下五個(gè)管理方向：

一是對(duì)地鐵站內(nèi)辦公用電及商業(yè)用電情況進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)和分析，根據(jù)地鐵站正常辦公用電及商業(yè)用電情況設(shè)置用電上限預(yù)警值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某商戶或辦公用電超出預(yù)警值后，及時(shí)分析出現(xiàn)超量用電的原因，并采取有效措施對(duì)其進(jìn)行整改。

二是對(duì)地鐵站內(nèi)各設(shè)備設(shè)施進(jìn)行分類、分時(shí)段、分區(qū)域耗電量對(duì)比，通過(guò)分析各設(shè)備設(shè)施耗電的異常情況，即可發(fā)現(xiàn)存在過(guò)度老化或故障的設(shè)備設(shè)施，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行維修或更換改善相關(guān)設(shè)備設(shè)施的異常耗電現(xiàn)象。

三是分析同一地鐵站內(nèi)不同設(shè)備的耗電情況，針對(duì)站內(nèi)耗電量較大設(shè)備設(shè)施采用合適的節(jié)能減排措施。

四是分析同一線路中不同地鐵站的整體耗電水平，同時(shí)結(jié)合不同車站的客流量、客流峰值等數(shù)據(jù)，對(duì)不同地鐵站運(yùn)營(yíng)采用針對(duì)性節(jié)能降耗策略。

五是按周、月、年對(duì)各條線路、各地鐵站運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的耗電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，通過(guò)同比、環(huán)比等方式，對(duì)電能消耗較大的車站、設(shè)備等進(jìn)行針對(duì)性節(jié)能降耗改造。

3.2 牽引供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略

通過(guò)上文分析某城市地鐵2號(hào)線年均總用電數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，牽引供電耗電和低壓配電耗電在地鐵運(yùn)營(yíng)總耗電量中約占85%，因此必須采用行之有效的節(jié)能降耗措施對(duì)以上兩種系統(tǒng)的耗電情況進(jìn)行優(yōu)化，才能切實(shí)提高地鐵低壓供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗水平。

3.2.1 合理調(diào)整列車頻次，減少電能消耗

應(yīng)用智能化能源管理系統(tǒng)對(duì)單條線路地鐵的月空載量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)公式計(jì)算出各條線列車在空載過(guò)程中產(chǎn)生的不必要電量消耗，才能使制定針對(duì)性節(jié)能降耗措施得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[2]。假設(shè)單條地鐵月空載運(yùn)營(yíng)里程為13000km，載客運(yùn)營(yíng)里程為250000km，則地鐵牽引系統(tǒng)供電能耗計(jì)算公式為：

其中A空表示地鐵空載耗電值；A載表示地鐵定額載客耗電值；ΔA表示單位耗電，此處計(jì)算取值0.052kWh/t·km；M空表示地鐵空載運(yùn)行里程；M載表示地鐵載客運(yùn)行里程；G定表示地鐵空載重量；G定表示地鐵定額載運(yùn)行重量。

若地鐵列車種類為B型車4動(dòng)2拖，動(dòng)力列車重量為35t/列，拖車重量為33t/列，則地鐵列車重量為35×4+33×2=206t；乘客人均重量取值60㎏，單節(jié)列車額定載客量為1460人，則客重87.6t。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單條地鐵月空載運(yùn)營(yíng)里程為13000km時(shí)，該條地鐵空載耗電量約為1671 072kWh，數(shù)值較高。因此，地鐵供電管理部門必須對(duì)單條地鐵的運(yùn)行情況進(jìn)行深入調(diào)查和分析，了解每條地鐵線路、各地鐵站的人流情況，在節(jié)假日、上下班高峰時(shí)段中，適當(dāng)提高地鐵運(yùn)行頻次，還可在高峰地段中設(shè)置區(qū)間車，以在減少電力消耗的基礎(chǔ)上，提高地鐵運(yùn)力。在低峰時(shí)段中，延長(zhǎng)地鐵間隔頻次，減少列車空載率，進(jìn)一步節(jié)省電能。

3.2.2 優(yōu)化列車行駛速度，減少電能消耗水平

當(dāng)?shù)罔F列車以速度v進(jìn)行行駛時(shí)，行駛過(guò)程中所受阻力設(shè)為Fw，列車總重量設(shè)為M，列車制動(dòng)距離設(shè)為S，則制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量E可用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

通過(guò)上述公式計(jì)算可知，當(dāng)列車行駛速度越大，產(chǎn)生的制動(dòng)能量越大，列車制動(dòng)距離越遠(yuǎn)，制動(dòng)所需時(shí)間越多，用于制動(dòng)消耗的能量越高[3]。因此，可根據(jù)列車載客流量情況合理調(diào)整列車的行駛速度，提高列車運(yùn)行效率的同時(shí)，減少地鐵在客流低峰時(shí)段中不必要的電能消耗。

3.3 低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略

地鐵低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行中可應(yīng)用的節(jié)能降耗策略主要包含以下四種：

一是根據(jù)地鐵列車所在環(huán)境的氣候條件優(yōu)化地鐵空調(diào)運(yùn)行效果。如在溫度宜人的春秋兩季，可減少地鐵環(huán)境中通風(fēng)空調(diào)的運(yùn)行數(shù)量，在滿足地鐵交通環(huán)境通風(fēng)基本需求的基礎(chǔ)上，減少電能的消耗[4]。冬、夏兩季溫度屬全年最冷或最熱時(shí)段，地鐵交通環(huán)境對(duì)空調(diào)設(shè)備的依賴性較強(qiáng)，可根據(jù)不同地鐵站、不同客流時(shí)段對(duì)地鐵站內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)控，既能充分保證地鐵環(huán)境的舒適度，又能減少各地鐵站以統(tǒng)一運(yùn)行溫度運(yùn)行而產(chǎn)生的不必要的電能浪費(fèi)。

二是應(yīng)用變頻技術(shù)減少地鐵電梯設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行的耗電水平。變頻技術(shù)在當(dāng)前公共場(chǎng)所電梯設(shè)備管理中的應(yīng)用較為廣泛，根據(jù)客流情況對(duì)電梯設(shè)備的運(yùn)行速度進(jìn)行智能調(diào)控，在無(wú)人時(shí)段自動(dòng)進(jìn)行低頻運(yùn)轉(zhuǎn)，高峰時(shí)段提高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，能顯著提高電能利用率。對(duì)通風(fēng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，應(yīng)用先進(jìn)的變頻空調(diào)設(shè)備度其運(yùn)行中的送風(fēng)量和給水量進(jìn)行控制，能顯著減少通風(fēng)空調(diào)設(shè)備運(yùn)行中的耗電水平。

三是積極應(yīng)用自然能源補(bǔ)充電能。我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，可在地鐵站地上建筑外部增設(shè)太陽(yáng)能照明設(shè)備，利用太陽(yáng)能為地鐵站內(nèi)照明設(shè)備等進(jìn)行補(bǔ)充供電，以減少對(duì)電力資源的消耗[5]。

四是應(yīng)用分區(qū)照明節(jié)能方案，減少照明耗電水平。在地鐵站站臺(tái)、站廳等環(huán)境的照明設(shè)備中加裝時(shí)段控制設(shè)備，在地鐵停運(yùn)后，統(tǒng)一對(duì)站內(nèi)照明設(shè)備進(jìn)行關(guān)停操作，節(jié)省非運(yùn)營(yíng)段中照明耗電水平；在辦公房、設(shè)備房、巡視通道等非連續(xù)工作區(qū)內(nèi)，應(yīng)用聲控照明設(shè)備；在地面站臺(tái)、站廳環(huán)境中應(yīng)用光敏控制設(shè)備，在陰雨、黑天等時(shí)段中，自動(dòng)啟動(dòng)照明設(shè)備，在白天自動(dòng)關(guān)閉照明設(shè)備，節(jié)能充分保障照明需求，又能避免電能浪費(fèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，地鐵軌道交通對(duì)緩解城市公共交通壓力、便捷居民出行、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重要作用，但地鐵列車在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)消耗大量電力資源。在全民提倡節(jié)能減排的社會(huì)背景下，全面分析地鐵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生能耗的原因，結(jié)合地鐵運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求，采用行之有效的低壓供電系統(tǒng)節(jié)能降耗策略，對(duì)提高電力資源的利用率，實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。